Toprak Kaynalı Isı Pompası
Toprak Kaynaklı Isı Pompası
Toprak kaynaklı ısı pompası toprağı enerji kaynağı olarak kullanır. Toprağın büyük ısıl kapasiteye ve kararlı işletme koşullarına sahip olması, ısı kaynağı veya çukuru olarak kullanılmasını cazip hale getirir. Kış mevsiminde ısı pompaları için ısı kaynağı olarak kullanılan toprak, yaz mevsiminde ise mahal içindeki ısının atıldığı bir ısı çukuru görevi görür.
Güneş ışımasının bulutlara, bulutların üzerinden yağmurla toprağa veya direk olarak ışınların toprağa gelmesiyle toprağın yaklaşık 2m derinliğine kadar bir enerji birikimi olur. Toprak, Güneşten ışıma ile gelen bu enerjiyi depolar. Ayrıca topraktaki ikinci enerji ise dünyanın çekirdeğinden gelen ısı akışıdır. Isı akışı yer kabuğuna doğru azalır ve yüzeye 2 m kala sıfır olur.
Şekil : Toprağın ölü bölgesini gösteren eğriler
Mevcut toprak alanı, toprağın bileşimi, yoğunluğu, içerdiği nem miktarı, boruların toprağa gömülme derinliği gibi faktörler toprak kaynaklı ısı pompalarında ısı değiştiricisinin seçiminde ve boyutlandırılmasında önemli rol oynar. Toprak kaynaklı ısı pompalarında ısı topraktan 2 şekilde çekilir. Ya yatay kolektörlerle ( yatay toprak ısı değiştiricili sistem ) ya da dikey sondelerle ( düşey toprak ısı değiştiricili sistem ). İster yatay tip ister dikey tip toprak kaynaklı ısı pompası olsun, ikisinin de çalışma prensibi aynıdır. Şekil ’de toprak kaynaklı ısı pompasının çalışma şeması gösterilmektedir.
Şekil : Toprak Kaynaklı Isı Pompası Çalışma Şeması [13]
Şekilde de görüldüğü gibi bu ısı pompalarında ilk devre toprakaltı devresidir. Toprak ısı değiştiricisi doğrudan genleşmeli veya ikincil akışkanlı olabilir. Genellikle doğrudan genleşmede kullanılacak soğutucu akışkan miktarı artacağından ve soğutucu akışkan nispeten pahalı olduğundan tercih edilmemektedirler.
Toprak altı devresinde dolaşan ikincil akışkanın sıcaklığı, topraktan aldığı enerjiyle artar ve ısı pompası devresinin evaporatör kısmına girer.
Evaporatör ünitesinde ikincil akışkan enerjisini ısı pompası devresinde dolaşan soğutucu akışkana verir ve soğutucu akışkanın sıcaklığı artmış halde ve gaz fazında kompresöre giderken, ikincil akışkan sıcaklığını kaybetmiş halde tekrar yeni döngü yapmak üzere toprak altı borularına gider.
Daha sonra da soğutucu akışkan enerjisini kondenserde primer devre olarak da bilenen ısıtma tesisatı devresinde dolaşan akışkana aktarır. Soğutucu akışkan sıcaklığını kaybederek sıvı faza geçer. Böylece topraktan alınan enerji ısıtmak istediğimiz ortama taşınmış olur.
Yatay Kolektörlü Isı Pompası
Yatay toprak ısı değiştiricileri genellikle toprak alanının uygun olması durumunda kullanılır. Yatay sistemler tek bir hendek veya birbirlerine yakın hendekler içerisine bir veya birden fazla borunun yerleştirilmesiyle oluşur. Bu ısı değiştiricilerin etkinlik derecesi borular arasındaki mesafeye bağlıdır. Yatay kolektörler hem güneşten gelecek enerjiyi alabilecek hem de mevsimsel hava olaylarından kolayca etkilenmeyecek optimum derinliğe yerleştirilmelidirler bunun için en verimli oldukları derinlik 1,2 – 1,5 m’dir. İki metre ise ölü bölge olup ısı akışı sıfır olur. Yatay kolektörün döşendiği alanın üstüne beton atılmamalıdır ve yağmurun toprakla teması engellenmemelidir.
Borular, yatay olarak geniş bir araziye serildiği için ısı transfer alanları daha fazladır. Bu sebeple çekilecek olan enerji de sondaj tipli uygulamalardan çekilen enerjiden daha fazladır. Bir devrenin uzunluğu 100 m2
’yi geçmemelidir, aksi taktirde ısı taşıyıcı akışkan sirkülasyonu için gerekli pompa gücü yüksek olmaktadır.
Borular döşendikten sonra, toprak ve boru arasındaki ısı geçişini iyileştirmek amacıyla hendekten çıkarılan toprağı yerine tekrar yerleştirirken yoğunluğunu artırmak için sıkıştırılması gerekmektedir. Ayrıca boruların üzeri toprakla doldurulmadan önce mutlaka bir hidrolik basınç testi yapılmalıdır. Muhtemel hasarların hemen fark edilebilmesi için, basınç testine toprak dolumu yapılırken devam edilmelidir. Şekil ’de yatay tip ısı pompası uygulamasına örnek gösterilmiştir.
Şekil : Yatay tip ısı pompası uygulamaları
Topraktan çekilebilecek ısı miktarı, öncellikle toprağın nemi olmak üzere birçok faktöre bağlıdır. Özellikle nemli ve killi topraklarda olumlu sonuçlar alınmaktadır. Kum oranı yüksek topraklar, yatay uygulamalar için çok uygun değildir.
Dikey ( Düşey )Sondaj Isı Pompası
Dikey sondaj ısı pompası, genellikle arsa alanının kısıtlı olduğu durumlarda kullanılır. DTIP’larında magmadan gelen ısı kullanılarak ortamın ısıtılması sağlanır. Genellikle magmadan gelen ısıyı çekme derinliği 30 m-150 m arasındadır. Dikey sondaj uygulamalarında, sondaj makineleri ile açılan kuyulara borular dikey olarak sarkıtılır. Kuyu çapları 10 cm -20 cm arasındadır. Kullanılan boruların çapı ¾ ile 11/2 inç arasında değişir.
Düşey ısı değiştiricilerinin yatay ısı değiştiricilerine göre bazı avantajları vardır. Düşey ısı değiştiricilerinde genellikle boruların büyük bir bölümü toprak altındaki sulu bölgede yani toprağın düşük ısıl direnç gösteren bölümündedir ve yer altı sularının hareketleri ısı değiştiricisinin iyilik derecesini yükseltmektedir. Ancak dönüş ve besleme borularının aynı deliğe yerleştirme zorunluluğu, ısı geçişi bakımından kısa devreye sebebiyet vereceğinden, düşey tiplerin yerleştirilmesinde bu husus dikkate alınmalıdır. Borular arasındaki ısı geçişi, ısı değiştiricisi iyilik derecesinin düşmesine neden olur.
Açılan kuyular arasında sağlıklı bir ısı transferi için minimum 3,5m, tercihen 6m bırakılmalıdır. Boru sarkıtma işlemi sonrasında söz konusu olan bölgedeki kuyuların üzerine bina yapılabilir, beton veya asfalt dökülebilir. Dikey boru sarkıtmada yatay boru döşemeye göre boru maliyetleri daha düşüktür. Ancak sondaj uygulamasında işçilik maliyeti daha yüksektir.
Kolay borulama ve az yer gereksinimi nedeniyle dikey toprak ısı değiştiricileri son yıllarda giderek yaygınlaşmaktadır. Genel olarak uç kısmında özel birleştirme parçaları (U formunda) ile birbirine kaynatılan iki veya dört paralel plastik boruya sahip boru demetinden oluşmaktadır. Plastik borular, dört borulu sistemde uç kısımlarından bağımsız akışlı iki devre oluşturacak şekilde birbirine bağlanmaktadır. Bunlara çift u borulu sistem denilir. Uygun hidrojeolojik şartlarda yüksek ısı çekişi sağlanabilmektedir.
Şekil : Dikey sondaj uygulama örnekler
Delme makineleri ve ekipmanları gerektirmesi, delme işleminin hendek açma işleminden pahalı olması dikey sondaj ısı pompasının dezavantajlarındandır.
Sondajla birlikte kuyu açılması maliyeti toprak şartlarına bağlı olarak metre başına 30 ile 50 Euro arasındadır. Tipik bir düşük enerji evinin ısıtma ihtiyacı ortalama 6 kW’tır. Buda yaklaşık 95 m’lik bir kuyu 5.000 ile 7.000 Euro bir maliyet gerektirir. Planlama ve montaj zemin şartlarına, yer altı suyu geçiyorsa suyun akış yönüne bağlıdır. Standart şartlar altında ortalama sondaj kapasitesi 50 W/m sondaj uzunluğudur
Şekil : Sondaj borularda ısı çekme
Toprak Kaynaklı Isı Pompasının avantajları
Toprak kaynaklı ısı pompası sistemlerinin diğer ısı pompası sistemlerine göre avantajları vardır. Bu avantajlar;
- Enerji verimleri yüksektir. Toprak sıcaklıkları daima oda sıcaklıklarına hava sıcaklıklarından daha yakın olduğundan TKIP verimi veya performans katsayısı yüksektir.
- EPA ( Amerikan Çevre Koruma Kanunu ) raporuna göre; TKIP analiz edilen tüm teknolojiler içinde en düşük CO2 emisyonları ve en düşük toplam çevre giderlerine sahip olan sistemlerdir.
- Üstün konfor kalitesi ve ısıtmada süreklilik sağlarlar.
- Bakım giderleri azdır.
- TKIP sistemlerinin ömrü uzundur.
Toprak Kaynaklı Isı Pompasının dezavantajları
Toprak kaynaklı ısı pompası sistemlerinin diğer ısı pompası sistemlerine göre dezavantajları ise;
- İlk yatırım maliyetleri yüksektir. Yerel coğrafi koşullar yer altı devresinin gerçek kurulum maliyeti üzerinde çok büyük etkiye sahiptir.
- Performansı, toprak ısı değiştiriciye ve kullanılan ekipmanlara bağlıdır.
- Nitelikli eleman sayısı sınırlıdır.
- Özellikle büyük şehirlerde yeterli toprak alanlarının bulunmayışı büyük sorundur.